PRÁCTICA # 4

“DETERMINACIÓN DE MASA MOLAR MEDIANTE CRIOSCOPÍA”

OBJETIVOS:

Determinar la masa molar de un soluto desconocido a partir del abatimiento de la temperatura de congelación de un disolvente puro.

Analizar las propiedades coligativas de las soluciones para su aplicación.

RESUMEN DE LA PRÁCTICA:

En esta práctica se estudiara teóricamente y prácticamente una de las propiedades coligativas de las soluciones con solutos no volátiles, es decir, del descenso de la temperatura de solidificación (congelación) mediante la crioscopia, analizando muestras que contengan como disolvente agua y como soluto cloruro de sodio a diferentes concentraciones.

MARCO TEÓRICO:

Cuando se extrae calor de un líquido, su temperatura caerá hasta que alcance la temperatura a la cual se funde. Si se sigue extrayendo calor, el líquido retorna a su fase sólida. Este proceso se conoce como congelación o solidificación1.

La cantidad de energía necesaria para convertir una cantidad específica de un sólido al estado líquido, a una temperatura determinada, se llama calor de fusión del sólido. Cada sólido puro posee un calor de fusión único que depende de la naturaleza del cristal y de las fuerzas de atracción que existen entre las partículas. Los calores de fusión se expresan en términos de calorías por gramo o Kcal./mol. Cuando se calienta el hielo a 0ºC y se empieza a fundir, se requieren 79.7cal para fundir cada gramo de agua : 79cal/g (1.44 cal/mol calor molar de fusión).2

Las propiedades de las soluciones diluidas de solutos no volátiles que son función de las características del disolvente e independientes de cualquier aspecto del soluto excepto su concentración en la solución, son conocidas bajo el nombre de propiedades coligativas. Reciben este nombre al hecho de encontrarse unidas por ese origen común. Las propiedades coligativas son: disminución de la presión de vapor, descenso de la temperatura de solidificación, elevación de la temperatura de ebullición y presión osmótica5.

Estas propiedades dependen sólo del número de moléculas presentes y no de la naturaleza química de dichas moléculas, por tal razón se dice que dichas propiedades son coligativas; tienen su valor en el punto más bajo del potencial químico.

Disminución de la temperatura de Fusión: Al enfriar una solución diluida, se alcanza eventualmente una temperatura en la cuál el solvente sólido comienza a separarse. En el punto de congelación la presión de vapor del sólido y del líquido es la misma, es la temperatura a la cuál el disolvente sólido y la solución están en equilibrio. Si la solución tiene un soluto no volátil, tiene una presión de vapor más baja; el disolvente sólido debe de estar en equilibrio con una solución a temperatura más baja que aquella a la cuál estaría en equilibrio con el disolvente puro ; las soluciones se congelan a temperaturas menores que el solvente puro6..Si en lugar de un líquido puro tenemos una disolución, un líquido al que se le ha agregado otra sustancia llamada soluto, cuando disminuimos la temperatura, las moléculas del soluto impiden que se unan entre sí las del líquido, interponiéndose entre ellas. Con esto, ahora el líquido no solidifica como cuando esta puro, sino a una menor temperatura: disminuye su punto de fusión, este hecho se conoce como descenso crioscópico. Cuanto mayor sea la cantidad de soluto añadida al líquido, mayor será también el descenso crioscópico de la disolución3.

1 TIPPENS, PAUL A., Física, conceptos y aplicaciones, 6ª ed. , Edit. Mc Graw Hill, México 2001. p.3972 DICKSON, T.R. Introducción a la química, 16ª ed. Edit. Publicaciones cultural, México 1999. p.2603 www.exp.uji.es(21/nov/06)

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En una disolución diluida las moléculas del soluto son tan escasas que difícilmente experimentarán interacciones entre ellas. Un aspecto fenomenológico de tales disoluciones es aquel que hace referencia a la disminución de la temperatura de solidificación, o descenso crioscópico, de una disolución respecto de la temperatura de solidificación del disolvente puro. 

También el descenso crioscópico tiene utilidad práctica: la eliminación de nieve de las carreteras y los anticongelantes para vehículos4.

La medición experimental de descensos de temperatura de solidificación es una técnica frecuente en la determinación de masas molares. En el campo de la química orgánica es muy útil para obtener valores de masa de alguna especie recientemente sintetizada o de algún material aislado que se desea identificar.

Para el estudio de esta propiedad coligativa se debe pensar en el disolvente de una disolución y el proceso de solidificación que conduce a la separación del disolvente sólido puro. El equilibrio que se establece en º del componente A en la disolución y el sólido A, permite formular: ( A)S = A , donde el subíndice s se incluye para indicar el sólido. Como A se comporta idealmente en la disolución, se puede tomar: A = (Aº) + RTLnXA donde (Aº), es el potencial químico del líquido A puro.

Ambas ecuaciones pueden ser igualadas debido a la condición de equilibrio termodinámico y mediante diversos procesos matemáticos puede llegar a la expresión:

Suponiendo que la variación de temperatura de solidificación HFus es pequeña para una cantidad pequeña de soluto B (XA ≈ 1), la ecuación anterior se puede transformar en:

Este resultado también puede ser expresado en función de la molalidad: Tfus = Kf m

Donde:

La constante Kf se conoce como la constante de descenso del punto de solidificación o constante crioscópica y es evidente, sólo función del disolvente puro5.

Cuando se emplea agua destilada como disolvente, la constante kf tiene el valor 1.86 K mol-1

Para el agua, M = 0.0180152Kg/mol, Tº = 273.15ºK y Hf = 6009.5J/mol. Por lo tanto:

Tfus = Kf m suministra una relación sencilla entre la disminución de la temperatura de congelación y la concentración molal del soluto en una solución ideal diluida y se emplea a menudo para determinar la masa molar del soluto disuelto. Si w2 Kg. de un soluto de masa molar desconocida, M2, se disuelven en w Kg. De disolvente, entonces la molalidad de soluto será m = w2 / wM2 . Aplicando este valor para m en la

ecuación anterior y resolviendo para M2 , se obtiene: 6

La depresión del punto de congelación de una solución viene definida por Hf = Tº - T y representa el numero de grados, en que aquel punto es menor que el del solvente puro. La magnitud de Tf depende tanto de la naturaleza del solvente como de de la concentración de la solución. Cuando estas son diluidas, el valor de Tf varía linealmente con la concentración, sin depender de la naturaleza del soluto. La constante de proporcionalidad de esta variación de concentración, es sin embargo una función del solvente y cambia considerablemente para los diferentes solventes.En vista de la facilidad con que se obtienen datos suficientemente precisos de puntos de congelación resultan muy convenientes y seguros en la determinación de pesos moleculares de solutos en solución. Los cálculos comprendidos son exactamente análogos a los efectuados en conexión con el aumento del

4 http://www.juntadeandalucia.es(21/nov/06)5 Manual de laboratorio de equilibrio heterogéneo ciclo 02/066 CASTELLAN, W. GILBERT, Fisicoquímica 2ª ed. Edit Pearson México 1998 p 305

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punto de ebullición, lo mismo que sus ecuaciones y otros datos necesarios. Si la expresión de m obtenida

se sustituye resulta: desde el cuál se sigue que el peso molecular es7:

HIPÓTESIS EXPERIMENTAL

Si colocamos en un tubo de ensayo una solución que contenga una disolución de NaCl a una concentración específica en disolvente agua, y llevamos a su punto de fusión, midiendo esta temperatura, aplicando la constante crioscópica del disolvente, podremos determinar así la masa molar del soluto utilizado experimentalmente.

MATERIAL

1 vaso de precipitados (1000ml) 1 termómetro graduado en décimas 1 tubo de ensayo (30x200mm) 1 vidrio de reloj 1 espátula 1 recipiente para baño de hielo Balanza analítica NaCl Agua destilada Hielo Sal de grano

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

a) Preparar en el tubo de ensayo la solución de la sustancia (NaCl 0.05M y 0.15M)

b) Determinar la temperatura de equilibrio de la mezcla hielo-aguac) Colocar el termómetro seco y limpio dentro del tubo de ensaye e introducir al sistema hielo-sal.

Determinar la temperatura de solidificación.d) Derretir al chorro de agua y determinar nuevamente la temperatura de equilibrio sólido-líquido.

RESULTADOS:

Solución a) NaCl 0.05M b) NaCl 0.15MTemperatura congelación(ºC) Tinicial

-1 -20 -2-1 -3

-1 -3 Temperatura descongelación(ºC) Tfinal

+2 +2+3 00 -2

-1 -3

a) NaCl 0.05Mf = 0ºC – 1ºC = -1ºC = 272.15ºKW2 = 0.1468gW = 50gH2O – 0.1468gNaCl = 49.8532gKf = 1.860ºKkg/mol

7 MARON & PROUTTON. Fundamentos de Fisicoquímica Edit Limusa, México 1994. pp 328 - 331

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b) NaCl 0.15Mf = 0ºC – 3ºC = -3ºC = 270.15ºKW2 = 0.4405g solutoW = 50gH2O – 0.4405gNaCl = 49.5595g disolventeKf = 1.860ºKkg/mol

DISCUSIÓN DE RESULTADOS:

En la tabla de los resultados se muestra de las 2 soluciones problema el punto de congelación y descongelación, primero los experimentales y marcado en negro los puntos finales, que para la solución a (NaCl 0.05M) fue de -1ºC y para la solución b (NaCl 0.15M) fue de -3ºC, esto dependía de la concentración de la solución ya que como tenía NaCl, la temperatura de fusión del agua disminuía por el soluto presente, y a mayor concentración de soluto presente en solución, disminuía la temperatura de fusión del disolvente.

Para determinar la masa molar de los solutos en solución se determino f restando la temperatura de fusión del agua a la obtenida, la masa del soluto (proveniente de la masa pesada para preparar la solución), la masa del agua (que como ya sabemos el agua es el único compuesto que sus ml equivalen a gramos y se le resto la masa pesada del soluto para obtener la cantidad de agua en gramos) y la Kf que se utilizó la del agua ya que es el disolvente y así obtuvimos la masa molar del soluto disuelto, basándose en el número de moléculas presentes en la muestra a la que se le midió la temperatura de fusión, obteniendo masas molares muy pequeñas ya que se tenía una muy pequeña cantidad de disolvente debido a las pequeñas concentraciones utilizadas para la experimentación, obteniendo así para solución a una masa molar de 0.0201g/mol y para la solución b) 0.0612g/mol, que es casi lo triple que la solución a, lo mismo que la concentración molar, por lo cuál concluimos que los resultados fueron satisfactorios..

CUESTIONARIO:

1. ¿Qué son las propiedades coligativas? Las propiedades de las soluciones diluidas de solutos no volátiles que son función de las características del disolvente e independientes de cualquier aspecto del soluto excepto su concentración en la solución

2. ¿Qué sucede con el potencial químico de una sustancia líquida pura cuando se le agrega un soluto no volátil?¿ Qué consecuencias trae esto sobre las propiedades del disolvente? Disminuye para cada temperatura en la cantidad –RTLnx. El potencial químico del disolvente en solución es menor que el del disolvente puro en cantidad.

3. ¿Qué sucede con las propiedades coligativas si el soluto no volátil es de naturaleza iónica? Nada, ya que no dependen de la naturaleza del soluto, sino de las moléculas de soluto en relación con el no. Total de moléculas presentes.

4. ¿qué es la constante crioscópica y cómo se calcula? la constante de descenso del punto de solidificación

5. ¿Cuál es la expresión matemática que relaciona la masa molar del soluto con el abatimiento de la

temperatura de congelación del disolvente?

CONCLUSIONES:

En esta práctica se analizó y determinó que la disminución del punto de congelación, es una propiedad coligativa, que puede ser utilizada para obtener la masa molecular de un soluto conocido o desconocido disuelto, aplicando la constante crioscópica del disolvente, las masas utilizadas y la diferencia de temperatura entre el disolvente puro y la disolución utilizada.

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BIBLIOGRAFÍA:*TIPPENS, PAUL A., Física, conceptos y aplicaciones, 6ª ed. , Edit. Mc Graw Hill, México 2001. p.397*DICKSON, T.R. Introducción a la química, 16ª ed. Edit. Publicaciones cultural, México 1999. p.260*www.exp.uji.es(21/nov/06)* http://www.juntadeandalucia.es(21/nov/06)*Manual de laboratorio de equilibrio heterogéneo ciclo 02/06*MARON & PROUTTON. Fundamentos de Fisicoquímica Edit Limusa, México 1994. pp 328-331*CASTELLAN, W. GILBERT, Fisicoquímica 2ª ed. Edit Pearson México 1998 p 305ARTÍCULO:

APLICACIÓN DE LA CRIOSCOPÍA A LA MEDICIÓN DE LA HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA DE LA LACTOSA;

SU UTILIZACIÓN EN LA FABRICACIÓN DE HELADOS Y DE DULCE DE LECHE

Murphy, M.; Muset, G.; Rodriguez, G.Centro de Investigación y Desarrollo de la Industria Láctea (CITIL)

La lactosa es un disacárido presente en la leche que juega un rol fundamental en la salud humana debido a su habilidad para estimular la absorción intestinal y la retención del calcio. La digestión de la lactosa en el cuerpo humano depende de la presencia de una enzima intestinal llamada lactasa o β-galactosidasa, enzima localizada en las células epiteliales del intestino delgado.

El mercado de productos lácteos reducidos en su contenido de lactosa surge en los EEUU en los años 80 para abastecer a aquellos individuos que presentaban intolerancia a la lactosa ya sea por su incapacidad de producir la enzima lactasa o tenerla disminuida en su concentración. Además de esta aplicación existen un sinnúmero de oportunidades para la utilización de productos con lactosa hidrolizada, de allí la importancia de contar con una metodología para poder cuantificar de manera sencilla el % de hidrólisis de la misma: La utilización de sueros de quesería hidrolizados como reemplazo de la sacarosa. Dependiendo del nivel

de hidrólisis, la leche predigerida posee un sabor más dulzón. Utilización de leches prehidrolizadas para incrementar el nivel de sólidos en los helados reemplazando

el agregado de leche en polvo deslactosada y reduciendo de esta manera significativamente los costos de elaboración. Al mismo tiempo permitiría, en el caso de la fabricación de helados producidos con leches de otras especies, un aumento de los sólidos 100% de la misma especie.

Utilización en la fabricación de dulce de leche. La utilización de leches predigeridas con una hidrólisis del 20-30% puede prevenir la cristalización de la lactosa en el dulce, evitando una textura arenosa.

Reducción de la concentración de la sacarosa en yogures frutados. Etc.

La leche presenta un punto de congelamiento menor que el del agua destilada debido fundamentalmente a su contenido en minerales y lactosa. Durante la hidrólisis por el agregado de lactasa, la molécula de lactosa se hidroliza en glucosa y galactosa. Esta hidrólisis se ve acompañada por el correspondiente descenso del pto. de congelación de la solución.

En el CITIL se procedió a correlacionar el pto de congelación con el % de hidrólisis determinado en forma absoluta por un método de referencia, en este caso el HPLC encontrándose una coeficiente de correlación de 0.997. Con este estudio se verificó el comportamiento lineal y la precisión del método crioscópico, utilizado en el trabajo para seguimiento y control de los % de hidrólisis de lactosa a diferentes tiempos y diferentes concentraciones de enzimas.

Históricamente los métodos utilizados como referencia han sido el HPLC o enzimáticos/UV, pero los procedimientos requieren tiempo y equipos sofisticados, además de personal entrenado. La técnica de determinación del descenso crioscópico es rápida y tiene la ventaja que utiliza equipos usualmente encontrados en la industria láctea, evitando así inversiones adicionales. Además esta metodología se utiliza no sólo para determinar % de hidrólisis, sino también para conseguir, variando temperaturas de trabajo y concentraciones enzimáticas diferentes condiciones operativas en planta.

Para mayor información comunicarse con: Marcela Murphy - murphy@inti.gov.ar

Referencia:

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www4.inti.gov.ar/GD/4jornadas2002/pdf/citil-186.pdf(21/nov/2006)

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